Le Big Bang

Le champ d’étude de Sciences Connexions commence il y a 13,799 milliards  d’années avec le « Big Bang ». Ce modèle cosmologique qui est aujourd’hui universellement adopté a été proposé en 1927 par Georges Lemaître. En 1929, Edwin Hubble démontrait l’expansion de l’Univers et créait la loi de Hubble. 

C’est en 1965 que l’existence du Big Bang a été démontrée expérimentalement avec la découverte du fond diffus cosmologique par Arno Allan Penzia et Robert Woodrow Wilson.   

Avant on ne sait pas trop ce qu’il y avait ou s’il y avait quelque chose. Le Big Bang est l’horizon les plus lointain que l’on peut appréhender. est une singularité mathématique  et les équations de la physique ne sont pas valables. 

Le monde que l’on peut penser comprendre à l’aide de la physique commence 10-43 secondes après le Big Bang. C’est ce que l’on appelle l’ère de Planck. C’est lors du Big Bang que toute la matière que contient l’Univers fut créée. En fait, il n’y a pas juste la matière qui a été créée lors du Big Bang : l’antimatière et la matière noire furent aussi créées.

C’est également lors du Big Bang qu’apparut l’espace-temps les forces et les particules. Nous reviendrons sur les forces et les particules un peu plus tard. Concentrons-nous tout d’abord sur les particules.

Dans un premier temps, l’univers était trop chaud pour que les atomes se forment. Au début, l’univers consistait en une mer de quarks et d’électrons.

À un certain moment (T = X), la température et la densité ont diminué suffisamment pour que les quarks se combinent pour former des protons et quelques neutrons.

Quand la température a baissé jusqu’à (T=Y), les électrons ont pu se combiner aux protons pour former les premiers atomes. C’est ainsi que l’hydrogène et l’hélium primordial ont été créés (ainsi qu’une petite quantité de lithium).

Cet événement s’est produit 300 000 ans après le Big Bang. Auparavant, l’univers n’était qu’un plasma de particules protons et électrons opaque à la lumière. Dès qu’un photon était émis, il était réabsorbé lorsqu’il rencontrait un autre électron ou proton flottant dans le plasma.

Quand les électrons se sont combinés aux protons, les photons ont pu commencer à circuler librement : l’univers est devenu transparent au rayonnement électromagnétique.

Ce rayonnement peut encore être détecté aujourd’hui et s’appelle le fond diffus cosmologique. Il y a quelques années, on pouvait même le voir dans notre salon : une partie de la neige que l’on voyait sur nos téléviseurs analogiques était en fait le fond diffus cosmologique capté par les antennes de la télévision.

Les particules que l’on connait sont décrites par ce qu’on appelle le modèle standard. Il comprend 20 particules élémentaires dont la dernière, le boson de Higgs n’a été découvert que très récemment.

Chaque particule est également une onde qui possède une probabilité de distribution dans l’espace.

Cette dualité onde-particule est un des fondements de la mécanique quantique. Dans certains cas, un électron peut se comporter comme une particule et dans d’autres cas, le même électron peut se comporter comme une onde.

L’atome le plus simple est l’atome d’hydrogène qui se compose à la base d’un proton et d’un électron. Il existe également d’autres variantes de l’atome d’hydrogène appelées isotopes qui possèdent soit un neutron (deutérium) ou deux neutrons (tritium).

Lors de la recombinaison, notre atome d’hydrogène se retrouve au sein d’un immense nuage moléculaire qui contient une quantité littéralement astronomique d’atomes d’hydrogène et d’Hélium. Rapidement, sous la force de la gravité, le nuage s’effondre autour d’un point un peu plus dense afin de former une étoile de première génération.

Les premières étoiles, que le télescope spatial James Webb, qui sera lancé en 2020, devrait nous permettre de voir était très massif et beaucoup plus grosses que le soleil.

Règle générale, plus une étoile est massive, plus elle « brûle » son carburant nucléaire rapidement. Les étoiles qui sont plus de 8 fois plus grosses que le soleil terminent leur vie dans une « explosion » extraordinaire appelée supernovae.

La cartographie du fond diffus de rayonnement cosmologique montre de très légères variations dans la densité de l’univers primordial. Ces légères variations ont été suffisantes pour que la gravité commence à faire son œuvre et commence à comprimer les atomes.

Plus l’attraction fait effet, plus la gravité accélère les particules et rapidement, le nuage moléculaire commence à s’effondrer sur lui-même.

Plus le nuage s’effondre, plus la température au cœur augmente. Lorsque la température atteint 10 millions de degrés, l’étoile s’allume et les réactions thermonucléaires débutent. Les atomes d’hydrogène fusionnent pour créer de nouveaux atomes d’hélium.

Chaîne des réactions thermonucléaires pour la fusion de l’hydrogène en hélium

La masse de l’atome d’hélium résultant étant un peu plus petite que la masse des 2 atomes d’hydrogène, la différence est convertie en énergie selon la fameuse formule de Einstein : E=mc.

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